Kérdés:
Mi akadályozza meg, hogy ez az op-amp referenciapuffer oszcilláljon?
davidf2281
2020-04-17 12:52:28 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Éppen egy EKG-erősítő nyílt forráskódú sémáját tanulmányoztam, itt található. A vázlat referenciafeszültség-puffernek tekintem a kapacitív szűrés intenzív használatát: enter image description here

Megértésem szerint az op erősítő egységerősítéses konfigurációban történő használata nagy kapacitív terhelés (C24) meghajtására csökkenti a fázis margót és valószínűsíti a nem kívánt rezgést.Tehát van itt valami olyan elem, amely ezt megakadályozza?Különösen arra gondoltam, hogy a C22 szerepet játszik-e.

Csak azt a tényt mondanám, hogy a kimenete és az invertáló bemenete rövidzárlatos.
@EdinFifić, A kimenet és az invertáló bemenet rövidzárlata (egységerősítés konfigurációja) az, ami leginkább instabilitáshoz vezet.
öt válaszokat:
Andy aka
2020-04-17 16:53:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

A legtöbb op-erősítő esetében az a szokásos helyzet, hogy a kimenetre "felakaszthatja" a kapacitást (mondjuk) 100 pF értékig, majd ha növeli ezt a kapacitást, az op-erősítő rosszul viselkedik, és oszcillátor. Ennél az eszköznél (mint a legtöbb op-amper esetében) ez a kapacitás körülbelül 150 pF az adatlapon. A 41. ábra azt mutatja, hogy 150 pF csatlakozás esetén a kimenet fenntartja az oszcillációt. A csatlakoztatott 130 pF esetén túllépés és csillapított csengés van, így a valóságban nem szabad nagyobbnak lennie, mint 100 pF. Nem nevezném ökölszabálynak, mert néhány op-erősítő 22 pF csatlakozással "énekel". Mint mindig, olvassa el az adatlapot.

\ $ \ color {blue} {\ text {De mi van, ha több uF-et ragasztott a kimenetre?}} \ $

Valószínű, hogy ez sem fog oszcillálni (annak ellenére, hogy az adatlap úgy tűnik, hogy ezt kifejezetten nem tartalmazza). Hogyan lehet ez lehetséges, ha felteszi, vagy honnan tudnám, hogy nem fog lengeni, az egy másik kérdés lehet. A válasz megtalálható a legtöbb adatlapon, de részletesen be kell mélyednie és elemeznie kell a dolgokat.

Vegyük például a 10. ábrát: -

enter image description here

Mit mondhat ez nekünk, kérdezhet. Azt mondja nekem, hogy a tranzisztor kimeneti fokozatának belső ellenállása terhelés alatt körülbelül 125 ohm. A \ $ V_ {DD} \ $ 5 voltos feszültség mellett látnia kell, hogy a vezeték meredeksége kb. 1 volt / 8 mA (a piros kiegészítések). Ez 125 ohmos kimeneti ellenállás. Később a \ $ ^ 1 \ $ részben megemlítem a könnyű terhelés forgatókönyvét (kék firkálások).

A következő a nyílt hurkú erősítés jellemzője a 33. ábrán: -

enter image description here

Megvoltam a szabadságot, hogy az egység nyereségével piros vonalat húzzak. Az egységgyarapodáskor (kb. 3 MHz) láthatja, hogy a fáziseltolódási vonal körülbelül 150 foknak felel meg? Ez azt jelenti, hogy 30 fok távolságra van attól, hogy oszcillátorrá váljon, vagyis 30 fok távolságra legyen attól, hogy a rendszeres invertáló visszacsatolás nem invertáló (vagy pozitív) visszacsatolássá váljon. Ezt a 30 fokot "fázistartónak" nevezik, és azt szeretné, hogy ez a lehető legnagyobb legyen a túllövések csökkentése és (ne adj isten) elkerülése érdekében, hogy az áramkör oszcillátorrá váljon.

Ennek tisztázása érdekében szimulációs eredményeket adtam hozzá. Itt van az első: -

enter image description here

100 pF hozzáadásával a fázis margó alacsonyabbra kerül, vagyis a 30 fokos margó kisebb lesz. Mennyivel kevesebb lesz, megkérdezheti. A válasz a 10. ábrán kezdődik, ahol megbecsültem az op-amp kimeneti ellenállását, és 125 ohmot kaptam.

Ez az ellenállás plusz 100 pF 12,7 MHz-es aluláteresztő szűrőt képez. Ennél a frekvenciánál a hozzáadott fáziseltolás 45 fok. De ami fontos, 3 MHz-en a fáziseltolás csak körülbelül 12 fok. Ezért, ha a kimenethez 100 pF csatlakozik, a fázistartomány 30 fokról 18 fokra csökkent. ezt az eszközt használtam a fáziseltolás megjelenítésében. Kiszámolhatnám, de miért kell bajlódnom, amikor Okawa úr ilyen szép eszközöket nyújt.

Ismét felvettem egy szimulációs eredményt: -

enter image description here

Ha a kapacitás 150 pF volt, akkor a határérték 8,4 MHz-re csökkent, de ami lényeges, 3 MHz-nél a fáziseltolás 20 fok, a kimeneti fázistartomány pedig csak 10 fokra csökkent. Ez azt sugallja, hogy az eszköz nem fog rezgni, de csak tipikus értékeket használok, és nem a legrosszabb esetben.

\ $ \ color {blue} {\ text {De mi van, ha több uF-et ragasztott a kimenetre?}} \ $

Még nem válaszoltam erre, de itt van.

Ha a kimeneten 10 nF van, ez 127 kHz-es cut-off frekvenciát eredményez, amelynek belső kimeneti ellenállása 125 ohm. És ha megnézi a nyílt hurkú erősítési grafikont, akkor azt látja, hogy a fázistartomány körülbelül 80 fokos, így lehet, hogy 10 nF-ot használ, de 1 MHz-nél a fázistartó 70 fok, ÉS a 10 nF és a 125 ohm 82 fok körüli hozzáadott fáziseltolódást eredményez, így valahol kissé 1 MHz alatt az op-erősítő tartós rezgésként kiénekelné a szívét.

Ennek érdekében egy másik sim eredményt adtam hozzá (500 kHz körül fog oszcillálni): -

enter image description here

Tehát, itt van a lényeg, aminek felé haladtam: -

Amikor a frekvencia alacsony, az op-amp természetes fázistartománya mindig jó. Például 300 Hz-nél a fázis margó 120 fok, és 1 uF hozzáadása a kimenethez kb. 105 fokosra csökkenti a margót. Ha a frekvenciát 10 kHz-re emeltük, akkor az op-amp természetes fázistartománya körülbelül 92 fok, és a kimeneti kondenzátor ezt 10 fokra csökkenti.

De a teljes erősítés a kimeneti kondenzátor miatt csökken. 10 kHz-nél a nyitott hurkú erősítés körülbelül 300 (50 dB), de a kondenzátor által okozott extra nyereségveszteség körülbelül 20 dB. Még mindig azt gondolom, hogy valószínű, hogy 1 uF fenntartaná az oszcillációt, de mi van a 10 uF-mel?

A 10 uF 10 dB-nél 50 dB-nél nagyobb nyereségveszteséget okoz, és a fázistartomány körülbelül 2 fokos lesz (ez feltételezi, hogy a kondenzátor és a kimeneti ellenállás teljes 90 fokos fáziseltolódása van, és ez nem lehet több mint ez). Azt hiszem, ez még mindig oszcillálhat. Határvonal.

Hozzáadott 10 uF szimulációt, amelyek azt mutatják, hogy nagyon határos: -

enter image description here

100 uF hozzáadásával az op-amp nem lenne probléma, mert a kimeneti kondenzátor és az ellenállás csillapítása 60 dB (10 kHz-en), és az oszcilláció nem tartható fenn.Más szavakkal, az op-amp természetes fázistartománya soha nem lehet olyan érték, amely további 90 fok hozzáadásával 1-nél nagyobb nettó nyereséget eredményezne.

Befejezésül a 100 uF szimuláció: -

enter image description here


Kék firka \ $ ^ 1 \ $ - ha nagyon enyhén terhelik, akkor az op-amp kimeneti ellenállása 500 ohmnak tekinthető, és ennek ugyanaz a hatásamint hogy a kapacitás 4-szer nagyobb legyen.Ennek hatása (amikor a kimeneti csapot pl. 10 uF-rel megpendítette) az, hogy a kimenet nagy valószínűséggel stabil lesz, de amint több kimeneti áramot húz, a dinamikus ellenállás 125 ohm felé csökken, és az áramkör hirtelen instabillá válhat.Sok Pro EE időről időre észreveszi az effajta hasonló hatást.

Köszönöm a nagyon részletes választ.Egyetértene a vtolentino véleményével is, miszerint a C22 némi kiegészítő védelmet nyújthat az oszcilláció ellen a kimeneti kupakok előzetes feltöltésével?
Nem, nem tenném - meg kell kérdezned tőle, hogyan jutott erre a következtetésre.
Spekulálna a C22 működésével?Nehezen látom a célját.
Egyáltalán nem látok okot arra, hogy C22 legyen.Sok tervnek vannak hamis meggyőződésen alapuló furcsaságai, és ez lehet az egyik.
Ha, ettől jobban érzem magam!Köszönöm mégegyszer.
Andy, az erősítő stabilitásának megértése az, hogy az oszcilláció csak akkor következik be, ha a nyitott hurok válaszának bizonyos frekvenciáján a hurokerősítés értéke 1 vagy annak közelében van, amikor a fázis -180 fok.Ha a hurokerősítés jóval kisebb, mint 1, amikor a fázis -180 fok, akkor garantálni kell a stabilitást, de az 1-nél nagyobb hurokerősítés, amikor a fázis -180 fok, nem garantálja az instabilitást, ez csak azt jelenti, hogy az erősítőinstabil, ha valamilyen nagyobb frekvencián a fázis még mindig -180 fokon van, mire a hurokerősítés egységre csökken.Barkhaussen-kritériumok: Loop Gain = 1, -180 fok az instabilitás érdekében.
Lehet, hogy tévedek, de úgy gondolom, hogy a nagy fázis margójának az a célja, hogy megakadályozza a kimenet nagy túllépését, valamint annak biztosítását, hogy az op amp, áramkör, NYÁK stb. Parazita pólusai ne billentsék átaz instabilitás pereme.Tehát az itteni eredmények kissé idegesítenek.Az egyfokozatú fázistagokkal személyesen különös gondot fordítanék ennek az áramkörnek a validálásakor, és valószínűleg valamiféle kompenzációs rendszeren gondolkodnék.
@swineone Igen, a fázistartó alacsonyabb zárt hurkú nyereség esetén történő csökkentése csúcsot okozhat a zárt hurkú frekvencia-válasz (frekvenciatartomány) felső végén, és több túllépést okozhat az időtartomány-lépés válaszában.Ha a fázis margó még tovább csökken, akkor a csúcsérték növekszik az amplitúdóban, és akkor is oszcillációvá válhat, ha az erősítő bemeneti jelét eltávolítják.
@James kérdést teszel fel nekem, vagy csak olyasmit mondasz, amellyel nem szabad konkrétan foglalkozni velem?A válaszom lényege az volt, hogy megmutassam, hogy van egy instabilitási régió, amelyet nagyobb kimeneti kapacitás hozzáadása okoz, de van fény az alagút végén.
Kérdezem, miért gondolja, hogy a harmadik szimulációban akkor fog oszcillálni, ha még nem rendelkezik az oszcilláció feltételeivel, amelyek a hurokerősítés = 1 (nem> 1) és a 180 fokos késés egyszerre történnek?Ezután a 4. és az 5. szimulációban gyakorlatilag megvan a tökéletes feltétel az oszcillációhoz, és úgy gondolja, hogy nem fog rezgni.Vagy félreértem Barkhausent?Nagyon boldog vagyok, hogy kijavítottak, ha teljesen rosszul csinálom a dolgokat!Nagyra értékelem az Ön alapját, hogy a kapacitás hozzáadása a kimenethez csökkenti a stabilitási margókat, valószínűleg az oszcilláció pontjáig.
A 3. szimuláció fáziseltolódása 180 fok, az egységnél nagyobb nyereség mellett.Ez azt jelenti, hogy oszcillálni fog (és tévesen értékeled az erősítők oszcillációjának feltételeit).A szinuszhullám-oszcillátor hurokerősítését egységre kell szabályozni, hogy a szinuszhullám amplitúdója stabil maradjon.Ha az erősítés nagyobb, mint 1, akkor a kimeneti amplitúdó eléri az op-amp síneit.A lényegem az, hogy ha folyamatosan növeli a kapacitást, akkor el fog érni egy stabilitási pontot @James
A 4. a határ és az 5. nem fog oszcillálni, ha azt feltételezzük, hogy 2 fokos PM van az erősítésnél = egység.Azt hiszem, a félreértésed szinuszhullámú oszcillátorokon alapszik.Más szavakkal, ha az erősítés egyenlő vagy nagyobb, mint 1, és van olyan frekvencia, ahol a PM nulla, akkor énekelni fog (ha elkezdhet oszcillálni).
Most szusszanok.Köszönöm a segítséget Andy.
vtolentino
2020-04-17 14:35:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ha az opamp nem alkalmas erre, akkor a nagy kapacitív terhelés vezetése valóban instabilitási problémákhoz vezethet, ha nem valósítanak meg kompenzációs hálózatot.A probléma akkor merül fel, amikor a kapacitív terhelés elég nagy ahhoz, hogy jelentős késést (fázist) okozzon a kimenet (visszacsatolás) és a bemeneti jel között, egészen addig a pontig, ahol a szabályozás nagyon kihívást jelent.

Legalább az indításkor a pozitív sín és a kimeneti / visszacsatolási út között összekapcsolt kondenzátor ideiglenes "fáziserősítést" biztosít, a kimeneti kondenzátor előzetes feltöltésével közvetlenül a tápvezetékkel.Ez azt jelenti, hogy a megfelelő kapacitív arány mellett \ $ (\ frac {C_ {22}} {C_ {22} + C_ {24}}) \ $ a kimeneti kondenzátorelméletileg előre feltölthető azzal a stabilizált feszültséggel ( \ $ 1,5V \ $ ), amelyre számíthat a nem invertáló bemenetben.

Spehro Pefhany
2020-04-17 22:01:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Az áramkör meghatározza a kimenet tantál elektrolit kondenzátorának egy bizonyos számát, amely csillapító hálózatként működik (0,25 ohmos ESR sorozat 47 uF-mal) bizonyos frekvenciákon, de még mindig gyanús lennék, hogy ez bizonyos körülmények között csak akkor lenghetkis amplitúdó látható, ami túlzott energiafogyasztást és egyéb finom hatásokat eredményez.

Ez inkább hasonlít valamire, amelyet addig bütyköltek, amíg nem működött, mint egy gondosan megtervezett robusztus áramkör.

bobflux
2020-04-18 16:55:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Andy már adott, kiváló választ adott, így nem mondok többet az "oszcilláció" bitről.

Azonban csak annyit szeretnék hozzáfűzni, hogy a C22 birtoklása hiba:

enter image description here

Nagy frekvenciákon az opamp kimeneti impedanciája sokkal nagyobb lesz, mint a kupakok impedanciája, ezért ennek az áramkörnek a kimeneti impedanciáját a kupakok uralják.Ez azt jelenti, hogy a C22 lehetővé teszi, hogy a nagyfrekvenciás zaj a VCCA tápegységben közvetlenül a kimenetbe szivárogjon.

Ezt enyhíti a C23 / C24, amelyek a C22 kapacitív osztó alsó lábaként működnek, így a VCCA zaját ennek megfelelően csillapítják.Mégis jobb, ha egyáltalán nem használjuk a C22-et.

A C22, C34, C24 szintén leválasztó sapkaként működik a VCCA sínnél.Ez azt jelenti, hogy egy közeli chip (például egy ADC), amely pulzáló áramot von le a VCCA-ból, táplálja áramának egy részét ezekből a kondenzátorokból, ami egy másik módja annak, hogy zajt adjon a kimenetbe.

Peter Green
2020-04-20 21:06:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Andy-aka jó kvantitatív elemzést végzett, de én kvalitatívabb megközelítést akartam alkalmazni.

Általában, ha negatív visszacsatolást próbálunk alkalmazni egy olyan többlépcsős erősítőre, ahol az összes fokozat hasonló frekvencia-válaszú, oszcillációt fog eredményezni.

Ennek oka a fázisválasz, a cutoff frekvencia előtti első közelítésre egy szakasz nem eredményez fáziseltolódást, a cutoff frekvencia után pedig 90 fokban történő fáziseltolás. Ha az összes fokozat hasonló frekvencia-választ ad, akkor a rendszer nagy fázistolódással találkozik hamarosan a megosztott határfrekvencia után. Ez a nagy fáziseltolás lehetővé teszi az applikátor oszcillálását.

Ennek javítása az, hogy az egyik szakasz sokkal kisebb sávszélességgel rendelkezik, mint a többi. Általában az op-amp-ban az egyik belső szakasz kompenzációs kondenzátorral rendelkezik, hogy szándékosan csökkentse a sávszélességét. Néha a kompenzációs kondenzátort külsőleg helyezik el, hogy az értékét az áramkör igényeihez igazítsák.

A kapacitás elhelyezése a kimeneten csökkenti a kimeneti szakasz sávszélességét, ezáltal sávszélességében közelebb kerül a szándékosan korlátozott sávszélességű szakaszhoz, ami oszcillációhoz vezethet.

De ha folyamatosan felhalmozza a kapacitást, és ezzel csökkenti a kimeneti fokozat sávszélességét, akkor a dolgok átütnek. A kimeneti fokozat végül uralja a frekvenciaválaszt, és a második (eredetileg első) törésfrekvencia csak akkor érhető el, ha a hurokerősítés egy alá csökken.



Ezt a kérdést és választ automatikusan lefordították angol nyelvről.Az eredeti tartalom elérhető a stackexchange oldalon, amelyet köszönünk az cc by-sa 4.0 licencért, amely alatt terjesztik.
Loading...